工程硕士论文栏目提供最新工程硕士论文格式、工程硕士论文硕士论文范文。详情咨询QQ:1847080343(论文辅导)

含不凝性气体的水平管降膜过程的传热探讨

日期:2023年07月21日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:300
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202307202035321780 论文字数:32522 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文对不凝气体在水平管降膜过程中影响进行数值模拟研究,着眼于不凝气体析出过程后对于传热的影响。对含不凝气体的水平管外降膜过程的研究选择采用数值模拟实验的方式来实现,意在对之后的研究有一定的启发作用。

1绪论

1.1本文的研究背景与意义

水资源在人类历史发展中具有重要意义,水在人类生产生活中的方方面面都有重要的作用,比如工业中火力发电中大量的水作为工质参与生产过程,农业中的农田需要水的灌溉,生活中的人类需要摄取水分,因此,人类离不开水。地球是一颗蓝色的星球,各种地方都存在着水,空气中的水蒸气,海洋中的水,陆地上的湖泊与河流,甚至地底下也有着水,因此地球上存在着丰富的水资源。地球上水储量最丰富的就要数是海洋了,因为海洋面积占地球表面积的71%,但是由于技术问题,人类现在可利用的淡水资源在地球总水量中的占比非常的少,仅有2.5%。

工程硕士论文怎么写

考虑到近几年的疫情影响,疫情对用水方面的影响是比较大的,2020年的用水量相对于2018年减少了2.083×1010m3,其中工业以及农业用水都有较大的减少[2],所以数据分析主要采用2018年的数据。我国水资源的问题主要有三个方面。第一点,我国水资源人均占有量低,根据调查数据显示,是2018年我国水资源总量为27462.5亿m3,占世界水资源总量5.1%,居世界第六位,从水资源总量的角度看我国相对于其他国家有一定优势,但我国人口众多,就像我国人均生产总值与与国内生产总值的关系一样,巨大的人口基数使得平均分配到每个人手上的水就很少。第二点,我国水资源分布不均匀,由图1.1可知,长期以来我国水资源南多北少,北方水资源十分缺乏。2018年中国水资源公报显示,2018年南方四区水资源总量21655.3亿m3,占全国水资源总量约78.9%,由于南北方的用水量差距不大可以看作相等,用水量相同但可调度的水量差距极大,所以北方比较缺水。第三点,水资源的污染与浪费。根据水资源公报中对水资源质量方面的数据进行合理的估算,我国五分之一的水资源都有污染,大部分地表水资源水体富营养化严重;我国因为灌溉技术的不成熟、灌溉方式的不合理导致大量的水资源在农业灌溉上得不到有效利用,这样导致农业灌溉产生大量的浪费;大多数居民没有节约用水、水资源重复利用的意识导致生活用水产生的水浪费。[3]随着经济以及社会的发展,由于淡水资源涉及发展的方方面面,水资源缺乏的问题会日益的凸显,在不久的未来很大概率会影响社会发展以及人民的幸福生活。

1.2水平管降膜蒸发

1.2.1低温多效蒸发技术的简介

多效蒸馏(MED)通过串联多个蒸发器以节省热量。上世纪60年代出现的低温多效蒸发(Low Temperature Multi-effect Distillation,LT-MED)技术一经推出就十分有效的缓和了多效蒸发技术的结垢和腐蚀两大难题,使得蒸馏技术得以继续发展。低温多效蒸馏(LT-MED)技术具有如下的优点:系统操作弹性较大、获得的淡水水质较好、管路结垢状况相比高温情况减轻很多。如表2[4]所示LT-MED相对其他几种有一定的优势,所以该技术在海水淡化领域有了较为广泛的应用。

LT-MED一般情况下是指在盐水最高温度不超过70℃的情况下,对进料海水进行多次蒸发,并最终获得淡水。相比与高温情况,在最高温度不超过70℃环境下进行蒸发能够十分有效的减少管路结垢和器材腐蚀的所引发的问题。LT-MED的工艺流程:进料海水进入冷凝器,在冷凝器中进行预热,出来的海水被分成两股,一股排回大海,另一股作为蒸馏过程进料。蒸馏过程一般是有很多效的,并且各效的压力、温度随着效数的增加依次增大。蒸汽被进入第一效蒸发器内与管外海水进行换热,然后管内蒸汽被冷凝变成的淡水。同时,蒸发器管外的海水一部分被蒸发形成二次蒸汽,经过汽液分离器后,蒸汽进入下一效蒸发器对下一效的海水进行加热。这样的过程在每一效的蒸发器内重复,到最后剩余的蒸汽在冷凝器内被冷凝。由于各效的压力不同,各效产生的冷凝水和浓缩海水在各效压差的作用下分别进入下一效进行闪蒸。各效蒸发器中产生的蒸馏水依次流经各效,最后经过冷凝器作为产品淡水离开;浓缩海水在最后一效被收集。

2数值计算理论

2.1数值模拟的步骤

数值模拟的步骤[36]可以分为以下几个,建立守恒方程组,确定边界条件,建立或选择模型或封闭方法,离散化方程组,确定求解方法,各项影响收敛性参数的调整,计算,后处理。

(1)建立守恒方程组

根据需要研究的问题,从流体力学,热力学,燃烧学等学科的基本原理出发,建立质量、能量、组分等守恒方程组,比如连续性方程,纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokesequations)等。这些方程所构成的方程组一般情况下是无法获得其的精确解,因此采用数值模拟来求解。单相层流流动属于是较为简单一般不需要根据情况来使用不同的方程,而湍流以及多相流动需要根据情况来选择使用的方程,比如湍流在雷诺数不同的情况下使用的方程不同,多相流动根据组分的不同可以分为固-液,气-液等。选择合适的方程组对于数值模拟是十分关键的一步。

(2)确定边界条件

根据所研究问题来确定计算区域的形状大小以及几何尺寸,根据问题的描述来确定计算区域各个边界上的条件,如2维管内流动需要确定进口以及出口以及管壁面,对于来流的速度分布或压力分布,温度以及回流等都需要确定。边界条件的确定需要根据实际情况来确定,确定边界条件往往会有比较大的难度,因为如果边界条件选择的不合适往往会造成模拟结果偏差极大甚至无法收敛。

(3)建立或选择模型或封闭方法

在得到基本方程以后并不是已经不需要处理了,这些方程多数情况下不会是封闭的,对于涉及湍流、多相流问题更是如此。比如动量方程中脉动关联项,能量方程中湍流导热相以及辐射项,扩散方程中的扩散项和湍流反应项以及多相流方程中相间相互作用项都是未知的。处理好这类问题使得方程中没有未知相,即封闭,是比较关键的一步。未知相的处理需要从实验结果或数学和物理理论的基本假设出发来构造,比如湍流流动模型、两相流动模型、湍流气相反应模型。

2.2 VOF模型

工程上的很多问题都会涉及到多相流,多项流的存在是非常普遍。如蒸发沸腾,水平管降膜,水泵的气蚀等。很多多相流问题至今都没有精确的解析解。对于处理多项流问题迄今为止各种专家学者提出了不少的模型。

欧拉模型在的数学方程中会考虑对不同相之间两两相互作用。该模型中的任意一相相互作用的组合可以是固体,也可以是液体或者气体,生活中最为常见的空气与水就是气相与液相的组合。在欧拉模型对于多相流的计算过程中,只要计算用的存储器的数量足够充足,对存在一定数量的相的多相流问题进行数值模拟计算。但是反过来也就是说储存器的数量会限制可以同时计算的相的数量。因此当储存器的数量不够充足的情况下进行复杂程度较高的多相流问题的数值模拟时,计算结果可能会与实际存在较大差距。

Mixture模型在欧拉模型的基础上进行了一定的简化,方程更为简单。Mixture模型一般适用于每一相都具有不同的流速的情况下,不然该模型的计算的准确性会受到影响。

DPM模型主要应用于各相为不聚合状态或是分散工质多相流的情况中,如带有沙子的水的流动过程,各分散相可以作为离散介质看待。

VOF(Volunm of Fluid)模型解决问题比较典型的例子有预测射流破裂,液体中气泡的浮升运动,溃坝后液体的运动。VOF模型利用体积分数模拟不同相流体的方法可以用来跟踪两相的界面,因此VOF模型可以应用于大多数需要跟踪两相界面的问题。本文对于多相流问题的处理模型采用的就是VOF模型。

3水中不凝气体析出的过程............................21

3.1水中不凝气体析出的数值模型.................................21

3.1.1计算区域与边界条件.......................21

3.1.2数学模型................................23

4含不凝气体的液膜在水平面的流动...............................31

4.1含不凝气体的液膜在水平面流动过程的数值模拟.......................31

4.1.1计算区域以及材料物性..............................31

4.1.2数学模型...........................32

5水平管降膜过程中不凝气体析出......................38

5.1水平管降膜过程中不凝气体析出的数值模拟..........................38

5.1.1计算区域及边界条件.........................38

5.1.2材料物性以及计算设置..................................40

5水平管降膜过程中不凝气体析出

5.1水平管降膜过程中不凝气体析出的数值模拟

5.1.1计算区域及边界条件

为了研究水平管降膜过程,选择25.4mm的管来进行加热,水流入口高度为5mm,水流入口2mm。由于所要计算的问题是对称的。所研究问题不涉及三维因此选择二维进行计算。因此为了计算简单,网格选取右半边来进行计算。如图5.1所示,上端为压力入口,在最左边是水流入口。水流入口由于对称性所以计算只需要取1mm。底端为压力出口,右端为绝热壁面。左端中间两个都是圆管壁面,其余为对称轴。

工程硕士论文参考

结论

本文对不凝气体在水平管降膜过程中影响进行数值模拟研究,着眼于不凝气体析出过程后对于传热的影响。对含不凝气体的水平管外降膜过程的研究选择采用数值模拟实验的方式来实现,意在对之后的研究有一定的启发作用。模拟过程中的假设会让结果产生一定